Phản ứng giữa sắt (Fe) và axit nitric (HNO3) đặc nóng là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng trong hóa học vô cơ. Sản phẩm của phản ứng này bao gồm sắt(III) nitrat, khí nitơ đioxit (NO2) và nước.
Phương trình phản ứng Fe + HNO3 tạo NO2
Phương trình hóa học cân bằng của phản ứng như sau:
Fe + 6HNO3 (đặc, nóng) → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Giải thích phương trình:
- Fe (Sắt): Chất khử, bị oxi hóa từ số oxi hóa 0 lên +3 trong Fe(NO3)3.
- HNO3 (Axit nitric đặc, nóng): Chất oxi hóa, nitơ trong HNO3 giảm từ số oxi hóa +5 xuống +4 trong NO2.
- Fe(NO3)3 (Sắt(III) nitrat): Muối tạo thành trong phản ứng.
- NO2 (Nitơ đioxit): Khí màu nâu đỏ, độc hại.
- H2O (Nước): Sản phẩm phụ của phản ứng.
Chi tiết các bước cân bằng phương trình
-
Xác định chất khử và chất oxi hóa:
- Fe là chất khử (số oxi hóa tăng từ 0 lên +3).
- HNO3 là chất oxi hóa (số oxi hóa của N giảm từ +5 xuống +4).
-
Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử:
- Oxi hóa: Fe0 → Fe+3 + 3e
- Khử: N+5 + 1e → N+4
-
Cân bằng số electron trao đổi:
- Nhân quá trình oxi hóa với 1 và quá trình khử với 3 để số electron cho bằng số electron nhận.
- 1 x (Fe0 → Fe+3 + 3e)
- 3 x (N+5 + 1e → N+4)
-
Cộng các quá trình và điền hệ số vào phương trình:
- Fe + 3HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2
- Cân bằng số nguyên tử H và O để hoàn thành phương trình:
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Điều kiện phản ứng Fe và HNO3 tạo NO2
- HNO3 phải đặc: Axit nitric loãng sẽ tạo ra các sản phẩm khử khác như NO (Nitơ monoxit) hoặc NH4NO3 (Ammonium nitrat).
- Nhiệt độ cao: Phản ứng xảy ra nhanh hơn và hoàn toàn hơn khi đun nóng.
Quan sát và hiện tượng phản ứng
Khi cho Fe tác dụng với HNO3 đặc, nóng, ta sẽ thấy:
- Sắt tan dần trong dung dịch axit.
- Khí màu nâu đỏ (NO2) thoát ra. Khí NO2 này có mùi hắc, gây khó chịu và độc hại.
- Dung dịch chuyển sang màu vàng của muối sắt(III) nitrat.
Ảnh minh họa phản ứng Fe tác dụng với HNO3 đặc nóng, thể hiện rõ khí NO2 màu nâu đỏ thoát ra và dung dịch chuyển màu.
Ứng dụng và lưu ý về NO2
Khí NO2 là một chất ô nhiễm không khí nguy hiểm, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường. NO2 có thể gây ra các bệnh về đường hô hấp, làm suy giảm chức năng phổi và tăng nguy cơ mắc các bệnh tim mạch.
Mở rộng kiến thức về sắt (Fe)
Vị trí và cấu hình electron
- Sắt (Fe) thuộc ô số 26, chu kỳ 4, nhóm VIIIB trong bảng tuần hoàn.
- Cấu hình electron: [Ar]3d64s2.
Tính chất vật lý
- Kim loại màu trắng xám.
- Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
- Có tính nhiễm từ.
- Khối lượng riêng lớn (7,9 g/cm3).
- Nhiệt độ nóng chảy cao (1540°C).
Tính chất hóa học
Sắt là kim loại có tính khử trung bình. Tùy thuộc vào chất oxi hóa, sắt có thể bị oxi hóa thành Fe2+ hoặc Fe3+.
-
Tác dụng với phi kim:
- Fe + S → FeS (sắt(II) sunfua)
- 3Fe + 2O2 → Fe3O4 (oxit sắt từ)
- 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (sắt(III) clorua)
-
Tác dụng với axit:
- Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (sắt(II) clorua)
- Fe + H2SO4 (loãng) → FeSO4 + H2 (sắt(II) sunfat)
- Fe + HNO3 (đặc, nóng) → Fe(NO3)3 + NO2 + H2O (sắt(III) nitrat)
-
Tác dụng với dung dịch muối:
- Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
- Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag
Cấu trúc tinh thể của sắt (Fe), thể hiện liên kết kim loại và tính chất đặc trưng.
Bài tập vận dụng liên quan đến Fe và NO2
Câu 1: Cho 5,6 gam Fe tác dụng hoàn toàn với HNO3 đặc nóng dư thu được V lít khí NO2 (đktc). Giá trị của V là:
A. 2,24 lít B. 4,48 lít C. 6,72 lít D. 8,96 lít
Hướng dẫn giải:
nFe = 5,6 / 56 = 0,1 mol
Theo phương trình phản ứng: Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
nNO2 = 3 nFe = 3 0,1 = 0,3 mol
VNO2 = 0,3 * 22,4 = 6,72 lít
Đáp án C
Câu 2: Cho m gam Fe tác dụng với dung dịch HNO3 loãng dư thu được 0,448 lít khí NO (đktc) là sản phẩm khử duy nhất. Giá trị của m là:
A. 0,56 gam B. 1,12 gam C. 1,68 gam D. 2,24 gam
Hướng dẫn giải:
nNO = 0,448 / 22,4 = 0,02 mol
Quá trình cho nhận electron:
Fe → Fe3+ + 3e
N+5 + 3e → N+2 (NO)
Áp dụng định luật bảo toàn electron: 3 nFe = 3 nNO
nFe = nNO = 0,02 mol
mFe = 0,02 * 56 = 1,12 gam
Đáp án B
Câu 3: Cho Fe tác dụng với dung dịch HNO3 thu được khí NO2 là sản phẩm khử duy nhất. Biết số mol Fe phản ứng là 0,1 mol. Số mol HNO3 đã phản ứng là:
A. 0,1 mol B. 0,3 mol C. 0,6 mol D. 0,8 mol
Hướng dẫn giải:
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
Theo phương trình, nHNO3 = 6 nFe = 6 0,1 = 0,6 mol
Đáp án C
Câu 4: Cho 11,2 gam Fe tác dụng với dung dịch HNO3 đặc nóng, sau phản ứng thu được dung dịch X và 6,72 lít khí NO2 (đktc). Cô cạn dung dịch X thu được m gam muối khan. Giá trị của m là:
A. 48,6 gam B. 54,45 gam C. 72,9 gam D. 24,3 gam
Hướng dẫn giải:
nFe = 11,2 / 56 = 0,2 mol
nNO2 = 6,72 / 22,4 = 0,3 mol
Fe + 6HNO3 → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
0,2 —-> ——————> 0,2 ——–> 0,3
mFe(NO3)3 = 0,2 * 242 = 48,4 gam
Đáp án A
Câu 5: Cho Fe tác dụng với HNO3 đặc nóng dư thu được khí X màu nâu đỏ. Khí X là:
A. N2 B. N2O C. NO D. NO2
Hướng dẫn giải:
Trong phản ứng của Fe với HNO3 đặc nóng, sản phẩm khử thường là NO2, có màu nâu đỏ.
Đáp án D
Các bài tập trên giúp củng cố kiến thức về phản ứng giữa Fe và HNO3, đặc biệt là sự tạo thành NO2 và các ứng dụng liên quan.
